Abstrakt
Optiske fiberkommunikasjonsnettverk spiller en viktig rolle i det globale telekommunikasjonsnettverket. Imidlertid begrenser ikke-lineære effekter i den optiske fiberen og transceiverstøy ytelsen til fiberkommunikasjonssystemer. I denne artikkelen brukes produktet av gjensidig informasjon (MI) og kommunikasjonsbåndbredde som metrikken for oppnåelig informasjonshastighet (AIR). MI-tapet forårsaket av transceiveren blir også vurdert i dette arbeidet, og den bitvise MI, generalisert gjensidig informasjon (GMI), brukes til å beregne AIR. Dette tapet er mer betydelig ved bruk av høyere ordens modulasjonsformater. AIR-analysen utføres i QPSK-, 16QAM-, 64QAM- og 256QAM-modulasjonsformatene for kommunikasjonssystemene med forskjellige kommunikasjonsbåndbredder og overføringsavstander basert på den forbedrede Gaussisk støymodellen (EGN). Oppgaven gir forslag til valg av det optimale modulasjonsformatet i forskjellige overføringsscenarier.
Grafisk abstrakt
1. Introduksjon
Over 95 % av digital datatrafikk føres over optiske fibernettverk [1]. Informasjonsoverføringshastigheten til optiske fiberkommunikasjonssystemer begrenser kommunikasjonshastigheten til de globale telekommunikasjonsnettverkene. Med utviklingen av fiberkommunikasjonsteknologi realiseres større kommunikasjonsbåndbredde og høyere symbolhastighet for å overføre flere biter i løpet av ett sekund. Imidlertid oppstår også alvorlige ikke-lineære effekter og fører til færre gyldige biter som sendes per sekund. I mellomtiden reduserer utjevningsforsterket fasestøy (EEPN) signalkvaliteten ytterligere [2]. Med andre ord er den effektive kommunikasjonshastigheten begrenset av ikke-lineære effekter og overføringsstøy. Dette fenomenet er mer åpenbart når høyere-ordens modulasjonsformater brukes. Generelt betyr et høyere modulasjonsformat en høyere symbolfeilrate (SER) [3, 4]. Imidlertid kan bruk av høyordens modulasjonsformat overføre flere biter av hvert symbol. Derfor er det ikke tilstrekkelig å bruke signal-til-støy-radioen (SNR) for å evaluere ytelsen til kommunikasjonssystemet. For rimelig å måle kommunikasjonsevnen, bør overføringsbithastigheten som systemet effektivt kan støtte brukes som metrikk. Generalisert gjensidig informasjon (GMI) kan brukes til å måle den effektive overføringsbithastigheten til systemet. For bølgelengdedelingsmultipleksede (WDM) systemer kan flere kanaler brukes til å sende signaler samtidig for å oppnå høyere datahastigheter. Selv om den større båndbredden vil redusere SNR ytterligere på grunn av inter-kanal interaksjoner, er ytelsesstraffen mye mindre enn informasjonshastigheten som oppstår ved bruk av flere kanaler [5]. Derfor bruker denne artikkelen antall biter som effektivt overføres i løpet av ett sekund som metrikken for oppnåelig informasjonshastighet (AIR). Den forbedrede Gaussisk støymodellen (EGN) brukes for å analysere ytelsen til det optiske fibersystemet under forskjellige forhold. Til slutt oppnås det optimale modulasjonsformatet ved omfattende analyser av ulike overføringsscenarier. Diskusjoner er gjennomført og gir en optimaliseringsretning for fremtidige høykapasitets optiske fiberkommunikasjonssystemer.
Denne artikkelen evaluerer ulike kommunikasjonsscenarier når det gjelder effektive bithastigheter som effektivt kan overføres. Slik metrikk gir en rettferdig sammenligning av systemer, og resultatene har grunnleggende implikasjoner og gir innsiktsfulle forslag til oppfølgingsforskning. Konklusjonene i denne artikkelen er basert på systemer uten bruk av foroverfeilkorreksjon (FEC) teknikker [6, 7]. Ulike typer FEC-koder har forskjellige feilrettingsmuligheter, og forskning av AIR i dette tilfellet trenger bare å utføre et ytterligere trinn basert på resultatene våre. Dessuten er virkningen av å introdusere feilrettingskoder på overføringsbithastigheten lineær, så konklusjonene i denne artikkelen er innsiktsfulle og anvendelige for systemer med FEC-er.
Denne artikkelen er ordnet som følger. GMI og MI er introdusert i Sect. 2. Avsnitt 3 diskuterer EGN-modellen. Resultatene og diskusjonen finnes i Sect. 4 og noen forslag for fremtiden er presentert i pkt. 5.
2 Generalisert gjensidig informasjon
Gjensidig informasjon (MI) er et mål på mengden informasjon som to tilfeldige variabler deler. Den kvantifiserer i hvilken grad kunnskap om en variabel reduserer usikkerheten om den andre variabelen. For kommunikasjonssignaler, jo høyere MI mellom senderen og mottakeren er, desto bedre er kommunikasjonskvaliteten. Dette betyr at mer informasjon er korrekt overført. Shannon-grensen brukes til å måle kanalkapasiteten, ved å beregne MI mellom signalene før du går inn i kanalen og signalene når du forlater kanalen. Imidlertid vil mottakeren fortsatt forårsake tap i MI. Derfor utvides signalene som brukes i beregningen til bitsekvenser, som vist i fig. 1, og informasjonshastigheten beregnes basert på GMI.
Figur 1
Skjematisk over MI og GMI
Bilde i full størrelse
Anta at det modulerte bitsignalet til tiderler {c1,l,c2,l,...,cm,l}{c1,l,c2,l,...,cm,l}xlxlxi∈X,kort(X)=Mxi∈ X,kort(X)=Myiyiyi∈Yyi∈Y{L1,l,L2,l,...,Lm,l}{L1,l,L2,l,...,Lm,l}
MI=I(X:Y)=1M∑i=1M∫CNfY|X(y|xi)log2fY|X(y|xi)1M∑Mj{{5} }fY|X(y|xj)dy,MI=I(X:Y)=1M∑i=1M∫CNfY|X(y|xi)log2fY| X(y|xi)1M∑j=1MfY|X(y|xj)dy,
(1)
GMI{{0}}∑k=1mEBk,Y[log2fY|Bk(Y|Bk)12∑b∈{0,1}fY|Bk(Y|b) ]=1M∑k=1m∑b∈{0,1}∑i∈Ibm∫CNfY|X(y|xi)log2∑j∈IbkfY|X(y| xj)12∑Mp=1fY|X(y|xp)dy,GMI=∑k=1mEBk,Y[log2fY|Bk(Y|Bk)12∑b ∈{0,1}fY|Bk(Y|b)]=1M∑k=1m∑b∈{0,1}∑i∈Imb∫CNfY|X( y|xi)log2∑j∈IkbfY|X(y|xj)12∑p=1MfY|X(y|xp)dy,
(2)
hvor Ibm⊂{1,2,...,M}Imb⊂{1,2,...,M}kort(Ibm)=M/2kort(Imb)=M/2fY |X(y|x)fY|X(y|x)CNCNBkBkEE
Fig. 2
GMI og MI for DP-QPSK, DP-16QAM, DP-64QAM og DP-256QAM,DP: dobbel polarisering
Bilde i full størrelse
3 Forbedret Gaussisk støymodell
På grunn av eksistensen av ikke-lineære effekter, er signalutbredelsen i fiberen svært komplisert. Det er umulig å gi eksplisitte uttrykk for signaloverganger. Imidlertid er de ikke-lineære effektene av kanalen ikke veldig sterke i nærheten av den optimale effekten, der oppførselen til signalutbredelse er nær lineær signalutbredelse. Dette er den grunnleggende antakelsen til den forstyrrelsesbaserte Gaussiske støymodellen. Poggiolini et al. foreslo EGN-modellen for raskt å estimere SNR for optiske fiberkommunikasjonssystemer [10, 11]. I denne artikkelen brukes EGN-modellen for raskt å beregne kanalens SNR, og deretter legges den EGN-baserte evalueringen av den tilsvarende ikke-lineære interferensen til for å estimere systemets GMI. EGN-modellen i C-båndet kan tilnærmet uttrykkes som [12, 13]
SNR=Pσ2+σ2s-s+σ2s-n,SNR=Pσ2+σs-s2+σs-n2,
(3)
σ2=σ2TRx+σ2ASE,σ2=σTRx2+σASE2,
(4)
σ2s-s=Nϵ+1sηP3,σs-s2=Nsϵ+1ηP3,
(5)
σ2s-n≈3(Nϵ+1s2+Nϵ+2sϵ+2)ησ2ASEP2+3Nϵ+1sηκP3,σs-n2≈3 (Nsϵ+12+Nsϵ+2ϵ+2)ησASE2P2+3Nsϵ+1ηκP3,
(6)
hvorP, σ2ASEσASE2σ2TRxσTRx2NsNs
ϵ=310log⎡⎣1+6LsLeffsinh−1(π2| 2|R2sN2chLeff)⎤⎦,ϵ=310log[1+6LsLeffsinh−1(π2| 2| Rs2Nch2Leff)],
(7)
η≈827 2Leffπ| 2|R2ssinh−1(π22| 2|LeffN2chR2s)−8081κ 2L2effπ| 2|LsR2s[Φ(Nch+12)+C+1],η≈827 2Leffπ| 2|Rs2sinh−1(π22| 2|LeffNch2Rs2)−8081κ 2Leff2π| 2|LsRs2[Φ(Nch+12)+C+1],
(8)
hvor Leff{{0}}(1−e− Ls)/ Leff=(1−e− Ls)/ 2 2NchNchRsRsC≈0.557C≈0.557 LsLsΦ (x)Φ(x)κκ]. Nøyaktigheten til EGN-modellen i C-båndet har allerede blitt verifisert av andre forskere også i våre tidligere arbeider [14,15,16,17].
4 Resultater og diskusjon
For et optisk kommunikasjonssystem med Nyquist-avstand, i henhold til Nyquist-samplingsteoremet, kan antall symboler som sendes per sekund måles via båndbredden til systemet. Verdien av GMI representerer det effektive antallet biter i et symbol. Multiplisere båndbredden med GMI gir det effektive antallet bits per sekund, overført over hver polarisasjonsmodus. Denne artikkelen studerer kommunikasjonsscenarioet for et 80 km per span 32 GBaud fiberkommunikasjonssystem med forskjellige modulasjonsformater, overføringsavstander og båndbredder. Resultater av AIR versus overføringsavstander og båndbredder er vist i fig. 3.
Fig. 3
AIR versus overføringsavstand og kommunikasjonsbåndbredde. Symbolhastigheten er 32 GBaud og hvert fiberspenn er 80 km
Bilde i full størrelse
MI-degraderingen ved mottakeren er spesielt alvorlig for modulasjonsformater av høyere orden, som vist i fig. 2. Når SNR er lav, synker GMI for høyordens modulasjonsformatet kraftig, og den kan være enda lavere enn for lavordensformatet ved lav SNR-region. Videre er høyere-ordens modulasjonsformater mer betydelig påvirket av støyen, noe som resulterer i en mer alvorlig GMI-forringelse. Det er demonstrert at høyere ordens modulasjonsformater viser sine fordeler i tilfellet med kortere overføringsavstander eller mindre kommunikasjonsbåndbredder. For systemer med lange overføringsavstander og store båndbredder kan noen lavordens modulasjonsformater være mer robuste og hensiktsmessige. Figur 4 viser det optimale modulasjonsformatet for forskjellige overføringssituasjoner.
Fig. 4
De optimale modulasjonsformatene under forskjellige overføringsavstander og kommunikasjonsbåndbredder. Symbolhastigheten er 32 GBaud og hvert fiberspenn er 80 km
Bilde i full størrelse
For jordbaserte kommunikasjonssystemer er den vanlige fiberspennlengden 80 km, og overføringsavstanden er mindre enn 10 000 km. Når symbolhastigheten er 32 GBaud og overføringsavstanden overstiger 2000 km, kan modulasjonsformatet til 16QAM alltid oppnå den høyeste AIR. Når overføringsavstanden reduseres til mellom 240 og 2000 km, blir modulasjonsskjemaet til 64QAM det mest passende formatet. 256QAM-signalet kan bare overgå de tre andre modulasjonsformatene når overføringsavstanden er lavere enn 240 km.
For å studere systemer med høyere symbolhastighet, fastsatte vi overføringsavstanden til 8000 km. Figur 5 viser GMI med forskjellige symbolhastigheter og forskjellige kommunikasjonsbåndbredder ved overføringsavstand på 8000 km og fiberspenn på 80 km.
Fig. 5
AIR per sender versus symbolhastighet og kommunikasjonsbåndbredde. Sendingsavstand er 8000 km og hvert fiberspenn er 80 km
Bilde i full størrelse
Hver kurve i fig. 5 er nesten like rett linje, og dette betyr at GMI er svakt korrelert med symbolhastigheten. Økning av kommunikasjonshastigheten kan imidlertid spare antall kanaler for WDM-overføring og dermed spare kostnadene for relaterte komponentsett. Derfor har sendere med høyere hastighet mer effektiv AIR per sender. I mellomtiden oppfører GMI seg nesten uavhengig av symbolhastigheten, og derfor kan 16QAM fortsatt oppnå best ytelse ved 8000 km som vist i fig. 4.
Et ubåtkommunikasjonssystem med en spennlengde på 50 km studeres også. Sammenlignet med systemet med 80 km spennvidde, kan en forkorting av spennvidden til 50 km forbedre systemets SNR [14] betydelig, så modulasjonsformatene av høyere orden kan dra nytte av dette. Resultatet er vist i fig. 6.
Fig. 6
AIR versus overføringsavstander og kommunikasjonsbåndbredder. Symbolhastigheten er 32 GBaud og hvert fiberspenn er 50 km
Bilde i full størrelse
Skjæringspunktet mellom kurver med forskjellige farger i samme gruppe beveger seg mot en lengre kommunikasjonsavstand når høyere-ordens modulasjon brukes. Dette beviser at modulasjonsformatet av høyere orden oppnår mer forbedring enn formatet av lavere orden med økningen av systemets SNR. Siden dagens overføringsscenario refererer til et ubåtsystem, fokuserer vi på scenariet der kommunikasjonsavstanden overstiger 8000 km. Når spennlengden er 50 km, kan det oppdages at QPSK-modulasjonsformatet nesten kan nå maksimal GMI (2 bit/sym/polarisering). Dette er også grunnen til at QPSK-formatet er mye brukt i dagens ubåtkommunikasjon. Imidlertid oppnår 16QAM-modulasjonsformatet også en stor forbedring, og bruk av 16QAM-formatet innenfor 12000 km kan forbedre systemets AIR betydelig, spesielt for større båndbredde.
Oppsummert har symbolhastighet liten effekt på systemets GMI, men bruken av en høyere symbolhastighet kan effektivt redusere antallet nødvendige sendere og koblingskomponenter. For langdistanse (2000–10000 km) terrestriske kommunikasjonssystemer med 80 km per spenn, kan 16QAM-formatet få den høyeste AIR. For ubåtkommunikasjonssystemene med hvert fiberspenn på 50 km [18], viser 16QAM mer betydelig ytelsesforbedring sammenlignet med QPSK-formatet. I et terrestrisk kommunikasjonssystem eller et ubåtkommunikasjonssystem kan man se at kommunikasjonsbåndbredden har marginale effekter på SNR, som vist i fig. 5. Derfor er avveining mellom høyhastighetssendere og antall kanaler viktig ved utforming av nye fiberoptiske systemer. For enkelhets skyld viser vi resultatene (optimalt valg av modulasjonsformat) for båndbredde over 2,4 THz som i følgende tabeller 1 og 2.
Tabell 1 Optimalt modulasjonsformat for båndbredde på over 2,4 THz og spennavstand på 80 km
Full størrelse bord
Tabell 2 Optimalt modulasjonsformat for båndbredde på over 2,4 THz og spennavstand på 50 km
Full størrelse bord
5 Forslag for fremtiden
MI for høyordensmodulasjonsformatet er alltid høyere enn for lavordensformatet. Imidlertid kan GMI for modulasjonsformatet av høyere orden være lavere enn for formatet av lavere orden på grunn av tap av informasjon forårsaket av sender/mottakeren. Derfor kan bruk av mer avanserte transceivere være en effektiv løsning. Faktisk er SNR-forskjellen mellom hvert modulasjonsformat veldig liten, spesielt når modulasjonsrekkefølgen er høyere enn 4 (lik eller over 16QAM) [19]. Ulike metoder som kan redusere informasjonstapet på mottakersiden eller flytte skjæringspunktet mellom heltrukne linjer med ulike farger (modulasjonsformater) til venstre (lav SNR-region) i fig. 2 vil være en interessant forskningsretning for neste generasjons fiberkommunikasjon systemer. På den annen side bruker en annen het forskningsretning forskjellige tilnærminger, for eksempel konstellasjonsforming og bølgeformforming [20], for å forbedre GMI for det optiske fibersystemet, og dermed flytte den stiplede linjen i fig. 2 nærmere Shannon-grensen (den grå linje). Optiske fiberkommunikasjonssystemer, til tross for at de fortsatt har en lang vei å gå, vil etter hvert bli hjørnesteinen i fremtidige telekommunikasjonsnettverk.
Tilgjengelighet av data og materialer
Dataene som støtter funnene i denne studien er tilgjengelig fra den tilsvarende forfatteren, etter rimelig forespørsel.
